黑洞：宇宙中最神秘的天体

周洁

黑洞效果图。

1916年，德国天文学家卡尔·史瓦西通过计算得到了爱因斯坦场方程的一个真空解，这个解表明，如果一个静态球对称星体实际半径小于一个定值，其周围会产生奇异的现象，即存在一个界面——“视界”，一旦进入这个界面，即使光也无法逃脱。这个定值称作“史瓦西半径”。

此后的半个世纪，围绕“视界”的讨论一直存在，但始终都没有正式的名字，人们只知道物压缩到史瓦西半径会产生一个有“视界”的天体。

直到1967年12月29日，在纽约的一次会议上，美国天体物理学家约翰·阿奇巴德·惠勒创造性地将这一现象以“黑洞”一词概括，借此来描述恒星的可怕与神秘，这也是黑洞的首次提出。

约翰明白一个简练的短语或一个概念的名字可能对研究人员和非科学家产生的心理影响，因此他花了很多时间来思考所有可能的名字和短语，他当时为了让人们对黑洞的“吃货”属性有所了解，灵机一动，才突然有了“black hole”这个名字。虽然因为这个名字引发过许多误会，但似乎也没有比这更合适的词语来形容这种天体了。

进入银河系核心区域，你会发现众多的恒星似乎围绕着虚空的空间运行。这里就是黑洞的所在。

长久以来，黑洞一直在挑战科学家的认知力，也吸引着大众的想象。

黑洞是什么？

作为已知的最强大和最神秘的天体，黑洞可以重塑整个银河系，扭曲时空结构。黑洞的引力极其强大，使得视界内的逃逸速度大于光速。

科学家认为，黑洞的本质是一个“奇点”以及包裹着这个奇点的“事件视界”，奇点和它的视界范围是一个整体，因为黑洞周围的视界本身就是因为奇点的诞生随之出现的一种现象。

“奇点”，就是整个黑洞的中心。

一般情况下，黑洞都是由大质量恒星演化来的。当一颗恒星衰老时，它的热核反应已经耗尽了中心的燃料，它没有足够的能量承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下，核心开始坍缩，物质将不可阻挡地向着中心点进军，直到最后形成体积接近无限小、密度几乎无限大的星体（几乎为奇点），而当它的半径一旦收缩到一定程度（一定小于史瓦西半径），质量导致的时空扭曲就使得光也无法向外射出——“黑洞”就诞生了。

所以在这个点上的物质密度高到无法想象，在奇点附近人类的一切物理定律都会失效。

这么来看，黑洞应该是一个黑乎乎的地方，是无法被看见的。但2019年，天文学家们发布了第一张黑洞图像，拍摄的是距离地球5500万光年的梅西耶87黑洞，被科学家打趣地称为“甜甜圈”。

当然，这张图像无法直接展示出黑洞的样貌，就像人无法看见风，但可以通过被风吹起的沙子来判断风的存在。这张图像实际上记录的是围绕黑洞高速旋转的扁平热等离子体，这一部分也被称为吸积盘。

等离子体由高能带电粒子组成。当等离子体在黑洞周围旋转时，加速粒子发射出无线电波。而图像中模糊的橙色环是由分散在地球各地的8台望远镜捕捉到的无线电波精心重建而成的。

梅西耶87黑洞其实还有一条长约5000光年的喷流。喷流与吸积过程相伴，吸积过来的物质并不是全部落入黑洞中，受到黑洞磁场等因素的作用，一部分物质会汇聚成狭窄的物质流喷射出去，这就是喷流。这些喷出的物质飘散在宇宙空间，未来将孕育出新的天体。

2019年的照片只拍到了黑洞和它的吸积盘，黑洞结构并不完整。所以之后我国科学家领导的国际团队利用相同的技术手段，在新的观测波段重新为其拍照，新波段下的望远镜视场更大。能够看到更多的黑洞结构。

2023年4月，科学家公布了梅西耶87黑洞的“全景照”，首次将黑洞及周围结构成像在一张图片中。

5个月后，在我国科学家主导、全球45个科研机构组成的国际科研团队共同努力下，人类首次“看见”的梅西耶87黑洞，被证明确实在自旋，這一现象符合爱因斯坦广义相对论的相关预测。在此之前，黑洞是否处于旋转状态，并没有直接的观测证据。

除了梅西耶87黑洞，2022年春天，天文学家公布了银河系中心的人马座A*黑洞照片，这张新图像证实并完善了天文学家对其大小和取向的预测，提供了黑洞前所未有的细节，也构成了“广义相对论最重要的视觉证明之一”。

黑洞在文学中应用，常被用来指代“贪婪”，因为凡是靠近它的都会被它吞噬掉。事实上，随着科学家对于黑洞的探索和认识，这个观点已经有了新的进展。

1999年，美国普林斯顿大学的一个研究团队发现，当吸积流处于“热”吸积模式时，进入黑洞势力范围的绝大部分气体都不会落入黑洞。根据吸积流的温度可以将吸积流分成“冷”“热”两种。宇宙中大部分黑洞周围的吸积流都是热吸积流。

中科院上海天文台袁峰研究员领导的课题组则进一步发现，当吸积流处于”热“模式时，进入黑洞引力范围的绝大部分气体会变成外流，流出黑洞的势力范围，回到黑洞所处的星系中。

黑洞也不是永恒存在的，随着时间的推移，黑洞也会死亡。死亡时，黑洞会发生剧烈的爆炸，甚至是喷撒出大量的物质，被黑洞吸收的物质和能量携带的信息会在黑洞死亡时被释放出来。或许，那将是另一个宇宙新的开始？

此外，过去我们始终无法量化宇宙中黑洞的数量，不过自引力波天文学诞生以来，引力波的探测技术为我们提供了首个近乎完整的黑洞普查。

基于已探测到的引力波数据，通过整合关于恒星、黑洞以及宇宙演化的信息，科学家们得出了宇宙中黑洞数量的第一个可靠估算：40万亿颗。

这一数字超出了几乎所有人的预期，这相当于所有恒星中有1%～2%最终形成黑洞，而这些黑洞占据了宇宙总质量的0.04%。

对黑洞进行成像是天文学的突破性进展，但也只是探索黑洞迈出的第一步。

科学家们正在进一步尝试在不同波段给黑洞拍摄“彩色照片”，甚至加上时间维度来拍摄“黑洞电影”，或许有一天，黑洞将不再神秘，人类也有机会理解终极宇宙奥义。

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